常用传感器与非电量测量

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1、 第 四 章常 用 传 感 器 原 理 与 非 电 量 测 量 4.1概述 传 感 器 是 一 种 能 将 特 定 的 被 测 信 息（ 包 括 物 理 量 、 化 学 量 、 生 物 量 等 ） ，按 一 定 规 律 转 换 成 某 种 可 用 的 输 出 信 号的 器 件 ， 又 称 为 变 换 器 、 变 送 器 。 目 前 ，可 用 信 号 是 指 各 种 电 量 （ 电 压 、 电 流 ）或 电 参 数 （ 电 阻 、 电 感 、 电 容 等 ） ， 这是 因 为 电 信 号 易 于 处 理 ， 便 于 传 输 。 随着 科 学 技 术 的 进 步 ， 可 以 预 料 传 感 器“

2、可 用 信 号 ” 的 内 涵 也 会 随 之 改 变 ， 如当 人 们 跨 入 光 子 时 代 ， 则 光 信 号 将 成 为更 便 于 快 速 处 理 与 传 输 的 “ 可 用 信 号 ”了 。 常 见 传 感 器 A从 传 感 器 输 入 端 来 看 ， 一 个 指 定 的 传 感 器 只能 感 受 或 响 应 规 定 的 物 理 量 。 如 温 度 传 感 器 只能 用 于 测 温 ， 传 感 器 所 能 感 受 或 响 应 规 定 的 物理 量 既 可 以 是 非 电 量 也 可 是 电 量 。 B从 输 出 端 来 看 ， 传 感 器 的 输 出 信 号 为 “ 可 用信 号 ”

3、 ， 这 指 传 感 器 输 出 信 号 中 不 但 载 运 待 测的 原 始 信 息 ， 而 且 是 能 够 被 远 距 离 传 送 、 后 续测 量 环 节 便 于 接 收 做 进 一 步 处 理 的 信 号 ， 包 含 ：电 信 号 、 光 信 号 、 气 动 信 号 等 。 C从 输 入 输 出 关 系 看 ， 具 有 一 定 规 律 ， 可 以 通过 数 学 解 析 方 法 或 试 验 法 确 定 模 型 来 描 述 ， 具有 规 定 的 静 态 特 性 和 动 态 特 性 ， 规 律 可 以 重 复出 现 。 传 感 器 位 于 测 试 系 统 的 最 前 端 ， 主 要 为 了

4、获 取检 测 信 息 和 转 换 信 息 用 。 4.1.1传 感 器 的 分 类 传 感 器 的 分 类 方 法 很 多 ， 了 解 传 感 器 的 分 类旨 在 加 深 理 解 便 于 应 用 。 按 输 入 量 可 分 为 温 度 、压 力 、 位 移 、 速 度 、 湿 度 等 传 感 器 ； 按 测 量 原理 可 分 为 电 位 计 式 、 应 变 式 、 电 感 式 、 差 动 变压 器 式 、 电 涡 流 式 、 半 导 体 力 敏 、 热 敏 、 光 敏 、气 敏 等 传 感 器 ； 按 输 出 量 分 类 有 模 拟 式 和 数 字式 传 感 器 等 。 按 照 传 感 器

5、输 出 量 变 换 原 理 分 类 ， 由 于 传 感器 可 用 输 出 信 号 的 类 型 是 有 限 的 ， 如 电 压 、 电流 、 电 阻 、 电 荷 ， 其 中 输 出 量 为 电 参 数 的 （ 电阻 、 电 感 、 电 容 ） 称 为 电 参 数 传 感 器 ； 输 出 量为 电 量 （ 电 压 、 电 流 、 电 荷 ） 称 为 电 量 型 传 感器 。 4.1.2 传 感 器 技 术 现 状 与 发 展 目 前 ， 传 感 器 技 术 正 在 飞 速 发 展 ， 出 现 了“ 多 样 化 、 新 型 化 、 集 成 化 、 智 能 化 ” 的 发 展形 势 。 多 样 化 是

6、 指 随 着 使 用 领 域 的 不 断 扩 大 以及 各 个 领 域 的 不 同 需 要 ， 出 现 多 种 多 样 用 途 的传 感 器 ， 种 类 有 上 千 种 。 集 成 化 包 括 传 感 器 本 身 的 集 成 化 和 传 感 器 与后 续 电 路 的 集 成 化 。 新 型 化 是 指 由 于 科 学 技 术的 发 展 ， 许 多 物 理 效 应 的 新 发 现 、 理 论 上 的 新突 破 、 新 工 艺 的 提 出 、 新 材 料 的 产 生 ， 发 展 了大 量 新 型 传 感 器 。 智 能 传 感 器 ， 至 今 还 没 有 公认 的 正 式 定 义 。 一 般 认

7、为 ： 传 感 器 与 微 处 理 器相 结 合 所 形 成 的 不 仅 具 有 信 号 检 测 功 能 ， 而 且具 有 信 息 处 理 功 能 的 传 感 器 系 统 就 是 智 能 传 感器 。 举 例 ： 汽 车 电 子 控 制 系 统 的 信 息 源 就 是 各 种 类型 的 传 感 器 ， 数 量 多 达 几 十 至 上 百 只 各 型 传 感器 。 4.2电 参 数 型 传 感 器 4.2.1电 阻 式 温 度 传 感 器 利 用 导 体 、 半 导 体 电 阻 随 温 度 变 化 的 特 性 ， 可以 制 作 出 测 量 温 度 的 传 感 器 ： 热 电 阻 和 热 敏 电阻

8、 。 温 度 范 围 （ 200 500） 1 热 电 阻 ： 纯 金 属 制 作 的 热 电 阻 有 正 温 度 系 数 ，温 度 每 升 高 1 ， 电 阻 值 增 加 约 0.4%0.6%。最 广 泛 使 用 的 是 纯 金 属 铂 、 铜 热 电 阻 。 (1)铂 电 阻 的 R-t关 系 0 850 200 0 )1( 20 BtAtRRt 320 )100(1 ttCBtAtRRt (2)铜 电 阻 在 （ -50150) 内 有 较 好 的 特 性 ，价 格 便 宜 。 其 R-t特 性 为 ： 2 热 敏 电 阻 热 敏 电 阻 是 将 温 度 信 号 转 变 为 电 阻 值

9、变 化 的一 种 传 感 器 。 它 可 归 类 为 电 阻 式 传 感 器 。 这 种 热敏 元 件 是 半 导 体 ， 称 半 导 体 热 敏 电 阻 。 其 优 点 有 ： 具 有 较 高 的 负 电 阻 温 度 系 数 ； 灵敏 度 高 于 热 电 阻 ， 在 20 时 温 度 增 加 1 ， 电阻 值 减 少 约 2 6 。 常 温 下 阻 值 大 ， 可 以 忽 略引 线 电 阻 的 影 响 ， 体 积 小 ， 动 态 特 性 好 。 测 温 范围 （ -100 300) 。 缺 点 ： 非 线 性 大 ， 长 期 稳 定 性 差 ， 互 换 性 差 。)1( 320 CtBtAt

10、RRt 热 敏 电 阻 有 正 温 度 系 数 和 负 温 度 系 数 两 种 ， 它们 的 阻 值 特 性 分 别 为 ： 式 中 温 度 为 时 的 电 阻 值 ； 常 数 ； 绝 对 温 度 。 它 们 的 温 度 系 数 可 分 别 求 出 ， 即 ATTR Ke BTTR Ke TR, ,A B KT 1 T T dR AR dT 21 TT dR BR dT T T 正 温 度 系 数 热 敏 电 阻 的 温 度 系 数 为 正 ， 且 为常 数 (指 在 工 作 范 围 内 )； 负 温 度 系 数 热 敏 电 阻的 温 度 系 数 为 负 ， 且 与 电 阻 温 度 的 平 方

11、 成 反 比 ，随 温 度 降 低 而 迅 速 增 大 ， 因 而 具 有 很 高 的 灵 敏度 。 所 以 ， 负 温 度 系 数 热 敏 电 阻 的 应 用 较 广 。 对 于 热 电 阻 和 热 敏 电 阻 ， 通 过 它 们 的 电 流 不能 太 大 ， 否 则 引 起 自 身 发 热 ， 带 来 测 试 误 差 。 4.2.2 电 桥 法 测 电 阻 在 输 入 信 号 的 作 用 下 ， 电 参 数 型 传 感 器 输 出 为电 参 数 电 阻 R、 电 感 L、 电 容 C的 改 变 量 ， 因 此实 现 对 R、 L、 C参 数 测 量 的 检 测 电 路 可 用 来 作为 与

12、 传 感 器 相 配 接 的 信 号 调 理 电 路 。 电 桥 是 将 电 阻 、 电 感 、 电 容 及 阻 抗 参 量 的 变化 转 换 为 电 压 或 电 流 输 出 的 一 种 测 量 电 路 ， 精度 与 灵 敏 度 高 ， 根 据 激 励 源 的 性 质 可 分 为 直 流电 桥 与 交 流 电 桥 ； 按 输 出 方 式 ， 可 分 为 平 衡 电桥 和 不 平 衡 电 桥 。 对 电 阻 式 传 感 器 既 可 采 用 直 流 电 桥 ， 又 可 采用 交 流 电 桥 ； 对 于 电 感 、 电 容 式 传 感 器 则 应 选用 交 流 电 桥 。 一 般 主 要 采 用 不

13、 平 衡 电 桥 。 1电 压 源 供 电 下 图 中 ， 桥 路 电 流 ， 为 ： 1I 2I 其 中 和 上 的 电 压 降 分 别 为 ： 则 输 出 电 压2Z 3Z sUZZ ZZIU 21 2212 sUZZ ZZIU 43 3323 320 UUU 2 4 1 3 1 2 3 4( )( )O SZ Z ZZu uZ Z Z Z 211 ZZUI s 432 ZZ UI s 2恒 流 源 供 电 桥 路 电 流 分 别 为 ： 输 出 电 压 则 为 ： 4321 431 ZZZZ ZZII 4321 212 ZZZZ ZZII 4321 43111 ZZZZ ZZZIZIUA

14、B 4321 21332 ZZZZ ZZZIZIUAD 4321 3241 ZZZZ ZZZZIUUU ADAB 几 种 电 桥 电 路 (1) (2)(3) (4) (5) 1 2 3 42 4 1 31 2 3 4(1) (1 ) , ( 1)( )( ) 2(2 ) 4O S S SZ ZZ Z Z ZZZ ZZu u u uZ Z Z Z 1 2 3 4(2) (1 ) , (1 ) , 2O SZ ZZ ZZ Z Zu u 1 3 2 422(3) (1 ) , (1 ) ,2 (2 ) 2O S SZ ZZ ZZ Z Zu u u 1 2 3 42(4) (1 ) , (1 ) ,

15、 (1 ) ,3 3 2(2 ) 4O S SZ ZZ ZZ ZZ Zu u u 4.3电 量 型 传 感 器 电 量 型 传 感 器 的 输 出 都 是 电 量 （ 电 压 、 电 流 ） ，如 磁 电 式 变 换 器 、 压 电 式 变 换 器 、 热 电 式 变 换 器 、光 电 式 变 换 器 ， 可 以 不 需 要 外 界 激 励 电 源 而 从 被测 对 象 直 接 获 取 信 息 能 量 ， 从 而 获 得 电 量 信 号 。这 些 都 属 于 能 量 转 换 型 传 感 器 ， 另 一 些 电 量 型 传感 器 如 PN结 、 集 成 电 路 温 度 传 感 器 ， 它 们 的

16、 输 出量 也 分 别 为 电 压 、 电 流 ， 但 其 属 于 能 量 控 制 型 传感 器 。1 2 3 4(5) (1 ) , (1 ) , (1 ) , (1 ) O SZ ZZ ZZ ZZ Zu u 4.3.1磁电式传感器 基 于 电 磁 感 应 原 理 ， 把 被 测 非 电 量 变 换 为 感应 电 势 的 传 感 器 称 为 磁 电 式 传 感 器 。 4.3.1.1工作原理 由 电 磁 感 应 定 律 可 知 ： 式 中 感 应 电 势 （ V） ； 磁 通 量 （ Wb） ； 时 间 （ s） ； 线 圈 匝 数 。 dE N dt E tN 可 见 ， 只 要 改 变

17、磁 通 量 ， 就 能 得 到 感 应 电 势 ，而 改 变 的 办 法 很 多 ， 如 改 变 磁 路 中 的 磁 阻 ，改 变 和 磁 场 垂 直 的 线 圈 面 积 (线 圈 在 恒 定 磁 场 中旋 转 )， 或 者 使 磁 铁 对 线 圈 作 相 对 运 动 ， 等 等 ，都 能 达 到 改 变 通 过 线 圈 磁 通 量 的 目 的 。 因 此 ，可 以 制 造 出 不 同 类 型 的 磁 电 式 传 感 器 。 若 线 圈 在 恒 定 磁 场 中 作 垂 直 切 割 磁 力 线 的 直 线运 动 ， 线 圈 两 端 的 感 应 电 势 可 由 下 式 导 出 式 中 磁 场 的

18、磁 感 应 电 势 ； 线 圈 与 磁 场 相 对 运 动 的 位 移 ； 每 匝 线 圈 的 平 均 长 度 。 E dxE N B l dtB xl 在 磁 场 一 定 的 条 件 下 ， 测 定 感 应 电 势 ， 就 能测 定 线 圈 移 动 的 速 度 。 在 线 圈 相 对 磁 场 作 旋 转 运 动 切 割 磁 力 线 ， 并 且线 圈 平 面 的 法 线 方 向 与 磁 场 方 向 呈 90 ， 则 线圈 的 感 应 电 势 为 式 中 旋 转 角 速 度 ； 每 匝 线 圈 的 界 面 积 。 在 磁 场 一 定 、 线 圈 一 定 的 条 件 下 ， 和 为 常 数 ，测

19、定 感 应 电 势 便 能 测 定 出 线 圈 旋 转 的 角 速度 。 Ed xd t dE NBS dtddtS B SE ddt 如 下 图 所 示 分 别 为 被 测 量 为 线 速 度 和 角 速 度 时 ， 磁 电 式 传 感 器 的 工 作 原 理 。 在 实 践 中 还 有 许 多 方 法 改 变 通 过 线 圈 的 磁 通量 ， 都 可 按 电 磁 感 应 关 系 式 推 导 出 相 应 感 应 电势 的 表 达 式 。 通 过 对 的 测 定 ， 能 相 应 地 测定 使 磁 通 量 改 变 的 物 理 量 。 v EE 4.3.1.2磁电式传感器的选用 磁 电 式 传 感

20、 器 最 大 的 特 点 是 ： 它 能 将 作 为 输入 信 号 的 机 械 速 度 直 接 转 换 成 线 圈 中 的 感 应 电势 输 出 ， 它 不 需 要 外 加 电 源 ， 而 是 直 接 将 被 测物 体 的 机 械 能 转 换 成 电 信 号 输 出 ， 这 一 特 点 使它 大 受 使 用 者 的 欢 迎 。 因 此 ， 它 在 测 量 速 度 、转 速 时 被 广 泛 选 用 。 如 果 在 测 量 线 路 中 对 信 号 作 积 分 和 微 分 ， 又能 非 常 方 便 地 得 到 被 测 物 体 的 加 速 度 和 位 移 (角加 速 度 和 转 角 )， 因 此 ，

21、常 用 于 加 速 度 、 振 动 、位 移 等 测 量 ， 特 别 是 作 为 振 动 传 感 器 使 用 。 磁 电 式 传 感 器 的 工 作 温 度 不 高 ， 磁 电 式 传 感器 的 频 率 范 围 也 有 限 ， 一 般 只 能 测 10 2000Hz内 的 机 械 振 动 ,在 体 积 、 重 量 上 则 大 大 不 如 压 电式 传 感 器 ； 而 且 结 构 复 杂 ， 还 要 有 可 动 部 分 ，所 以 既 容 易 磨 损 使 性 能 变 化 ， 又 不 坚 固 可 靠 。 4.3.2热 电 式 传 感 器 4.3.2.1热电偶式传感器 热 电 偶 式 传 感 器 是

22、基 于 热 电 效 应 ， 将 温 度 信 号转 换 为 电 信 号 的 一 种 传 感 器 。1 工作原理 热 电 偶 式 传 感 器 的 工 作 原 理 基 于 热 电 效 应 。如 图 所 示 ， 将 两 种 材 料 不 同 的 导 体 的 两 个 端 点焊 接 在 一 起 ， 构 成 一 个 闭 合 回 路 。 如 果 两 连 接点 1和 2温 度 不 同 ， 回 路 中 就 会 有 一 个 电 动 势 ，并 在 闭 合 回 路 中 产 生 电 流 。 这 个 电 势 和 电 流 与 两 种 导 体 的 性 质 和 两 个 接 点间 的 温 度 差 有 关 。 这 种 现 象 就 称

23、为 热 电 效 应 或塞 贝 克 效 应 。 A和 B两 种 导 体 叫 做 热 电 极 ， 它们 合 称 热 电 偶 。 若 接 点 1和 2的 温 度 分 别 为 和 ， 且 ， 接 点 1称 热 端 或 称 工 作 端 ，接 点 2称 冷 端 ， 或 称 自 由 端 。 如 果 对 于 某 一 确定 的 热 电 偶 ， 冷 端 温 度 固 定 ， 则 热 电 偶 回 路 中的 热 电 势 就 只 和 热 端 温 度 呈 一 一 对 应 关 系 ， 测定 热 电 势 就 能 测 定 热 端 温 度 。 1T2T 1T 2T 热 电 势 是 由 接 触 电 势 (又 称 珀 尔 帖 电 势

24、)和 单 一导 体 的 温 差 电 势 (又 称 汤 姆 逊 电 势 )组 成 。 接 触电 势 产 生 的 原 理 在 于 不 同 的 导 体 具 有 不 同 的 自由 电 子 浓 度 。 当 两 种 不 同 导 体 接 触 后 ， 自 由 电子 便 从 浓 度 高 的 一 方 向 浓 度 低 的 一 方 扩 散 ， 结果 在 界 面 附 近 一 方 失 去 电 子 ， 带 正 电 ； 另 一 方得 到 电 子 带 负 电 ， 在 两 导 体 的 接 触 面 上 形 成 电位 差 。 这 种 电 位 差 阻 碍 电 子 的 扩 散 ， 当 达 到 动平 衡 时 ， 即 在 界 面 上 形 成

25、 一 接 触 电 势 。 由 于 接触 电 势 的 形 成 和 扩 散 有 关 ， 显 然 当 两 导 体 材 料确 定 后 ， 接 触 电 势 只 和 接 触 面 的 温 度 成 正 比 ，记 为 ， 热 电 偶 中 有 两 个 接 触 面 ， 温 度 分别 为 和 ， 对 应 的 接 触 电 势 为 和 。 ( )ABe T1T 2T 1( )ABe T2( )ABe T 温 差 电 势 是 在 同 一 导 体 的 两 端 因 其 温 度 不 同 而产 生 的 一 种 热 电 势 。 由 于 两 端 温 度 不 同 ， 导 体内 自 由 电 子 的 运 动 速 度 不 同 ， 高 温 端

26、的 电 子 运动 速 度 比 低 温 端 的 电 子 运 动 速 度 要 大 。 因 此 ，电 子 将 从 速 度 大 的 区 域 向 速 度 小 的 区 域 扩 散 ，结 果 高 端 失 去 电 子 而 带 正 电 ， 低 端 得 到 电 子 而带 负 电 ， 从 而 在 导 体 的 两 端 形 成 电 势 差 ， 即 温差 电 势 ， 记 为 1 2( , )eT T 因 此 ， 在 和 两 个 导 体 组 成 的 热 电 偶 回 路 中 ，总 的 热 电 势 为 实 际 上 ， 上 图 热 电 偶 中 所 形 成 的 热 电 势 是 无 法测 量 的 ， 要 测 量 就 必 须 接 入

27、电 表 ， 电 表 的 接 线端 是 铜 导 体 ， 势 必 在 A和 B导 体 中 又 要 介 入 第三 导 体 ， 这 时 会 不 会 影 响 原 来 回 路 中 的 热 电 势 ？为 答 复 这 一 问 题 ， 下 面 介 绍 热 电 偶 的 中 间 金 属定 律 。 中 间 金 属 定 律 ： 在 由 A和 B两 种 导 体 组 成 的 热电 偶 回 路 中 ， 不 管 从 何 处 接 入 第 三 导 体 ， 只 要保 证 接 入 导 体 两 端 的 温 度 相 同 ， 则 接 入 导 体 时将 不 影 响 原 来 回 路 中 的 热 电 势 。 A B1 2 1 2 1 2 1 2(

28、 , ) ( ) ( ) ( , ) ( , )AB AB AB B AE T T e T e T e T T e T T 要 测 量 热 电 偶 回 路 中 的 热 电 势 ， 只 要 保 证 接 入的 仪 表 两 接 点 温 度 相 同 ， 就 能 准 确 测 量 出 原 热电 偶 回 路 中 的 热 电 势 。 用 热 电 偶 测 量 温 度 十 分 简 便 ， 只 要 用 电 位 差 计等 测 出 热 电 偶 两 端 电 动 势 ， 换 算 成 温 度 即 可 。 图 中 c为 第 三 种 金 属 等 连 接 导 线 （ 如 铜 线 ） 。 2使 用 时 注 意 事 项 （ 1） 特

29、性 分 度 表 的 使 用 。 热 电 势 （ ） 是 两 个 接 点 的 温 度 。 将 冷 端 温 度 固 定 后 ， （ ） 就 为 热 端 的 单 值 函 数 。 为 了 统 一 起 见 ，一 般 手 册 上 所 提 供 的 热 电 偶 特 性 分 度 表 是 在 保持 热 电 偶 冷 温 度 条 件 下 给 出 的 热 电 势与 热 端 温 度 的 数 值 对 照 表 。 因 此 实 际 测 温 时 ， 冷 端 温 度 若 为 0 ， 则 只 要正 确 地 测 量 热 电 势 ， 查 分 度 表 ， 即 可 得 到 所 测温 度 。 但 是 ， 如 果 此 时 冷 端 温 度 不 为

30、 0 ， 而为 室 温 就 不 能 直 接 利 用 特 性 分 度 表 。 这 时 应 测量 室 温 （ 设 为 ） ， 利 用 特 性 分 度 表 反 查 出其 热 电 势 值 ； 将 该 热 电 势 值 与 热 电 偶回 路 所 测 得 的 热 电 势 相 加 ， 才 是 ，即 ABE 1 2,T T2TABE 1T 1T 2 0T 2T2( ,0)E T 1 2( , )ET T1( ,0)ET 1 2 1 2( ,0) ( ,0) ( , )E T E T E T T 然 后 再 由 之 值 查 特 性 分 度 表 ， 才 能 得 到热 电 偶 热 点 的 实 际 温 度 。 例 有

31、一 镍 铬 -镍 硅 热 电 偶 ， 其 冷 端 温 度 ， 测 得 热 电 势 为 mV， 则 实 际 炉 温是 多 少 度 ？ 解 由 查 分 度 表 mV， 则 1( ,0)E T 1T 30 nT ( , ) 39.1nET T 30nT (30,0) 1.2E ( ,0) ( ,30) (30,0)39.1 1.2 40.37mVABE T ET E 再 用 40.37mV查 分 度 表 得 977 ， 即 实 际 炉 温 为977 。 （ 2） 补 偿 导 线 的 使 用 。 热 电 偶 传 感 器 长 度 通常 在 1m左 右 ， 当 测 量 高 温 时 ， 冷 端 温 度 受

32、热 端温 度 影 响 较 大 ， 此 时 常 用 补 偿 导 线 将 冷 端 远 移到 温 度 变 化 比 较 平 缓 的 环 境 中 去 。 补 偿 导 线 是和 热 电 偶 配 用 的 双 股 导 线 。 它 的 材 料 分 别 和 热电 偶 的 A和 B导 体 材 料 一 样 。 有 多 少 类 热 电 偶 就有 多 少 类 配 用 的 补 偿 导 线 。 选 用 时 ， 注 意 不 要选 错 牌 号 和 接 错 +、 -极 。 最 终 原 则 是 ： 当 热 电偶 出 线 盒 外 接 线 时 ， 热 电 偶 的 导 体 材 料 要 分 别和 补 偿 导 线 的 导 体 材 料 一 致

33、， 这 样 才 能 保 证 在回 路 中 不 改 变 原 来 的 热 电 势 。 （ 3） 冷 端 补 偿 。 在 测 量 中 也 可 想 办 法 对 冷 端进 行 补 偿 ， 达 到 直 读 温 度 的 目 的 。 冷 端 补 偿 的办 法 常 用 以 下 三 种 ： 0 恒 温 法 ： 将 热 电 偶 的 冷 端 保 持 在 0 器 皿 内 。此 法 仅 适 用 于 实 验 室 内 ， 但 它 能 使 冷 端 温 度 误差 完 全 消 除 。 冷 端 恒 温 法 ： 将 热 电 偶 的 冷 端 接 点 置 于 一 恒 温器 内 ， 如 恒 定 温 度 为 ， 则 冷 端 误 差 为 冷 端

34、 误 差 虽 不 为 零 ， 但 是 一 个 定 值 。 只 要 在 回路 中 加 入 相 应 的 修 正 电 压 或 调 整 指 示 装 置 的 起始 位 置 ， 即 可 达 到 完 全 补 偿 的 目 的 。 0t 0 0(, ) (,0) ( ,0)AB ABE tt E t Et 冷 端 补 偿 器 法 ： 工 业 上 常 采 用 冷 端 补 偿 器 法 。冷 端 补 偿 器 是 一 个 四 臂 电 桥 ， 其 中 三 个 桥 臂 电阻 的 温 度 系 数 为 零 ， 另 一 桥 臂 采 用 铜 电 阻 ，放 置 于 热 电 偶 的 冷 接 点 处 。 当 时 ， 电 桥 平 衡 ；

35、当 时 ， 电桥 将 产 生 相 应 的 不 平 衡 电 压 。 电 桥 的 输 出 与热 电 势 串 连 。 只 要 满 足 热 电 偶 的 冷 端 误 差 就 变 成 了 定 值 ， 再进 行 定 值 误 差 的 修 正 （ 见 恒 温 法 ） 即 可 获 得 冷端 温 度 的 完 全 补 偿 。 cuR 20nt 20nt u 0( ,20)ABu E t (20,0)ABE 电 桥 的 供 电 端 A、 C通 过 一 可 调 电 阻 接 直 流电 源 ； 桥 臂 、 、 为 锰 铜 线 绕 电 阻 ， 阻 值可 视 为 不 随 温 度 变 化 的 固 定 电 阻 。 为 测 温 热电

36、阻 ， 用 来 测 量 冷 端 温 度 。 热 电 偶 冷 端 温 度为 ， 用 补 偿 导 线 接 出 ， 其 冷 端 温 度 为 。 gRE 1R 2R 3R TR0t 0t 设 在 时 电 桥 平 衡 ， 桥 顶 B、 D输 出 电压 ； 当 温 度 升 高 ， 热 电 偶 增 大 ，电 桥 输 出 不 平 衡 电 压 ， 且 点 B电 位 高 于点 D电 位 ， 于 是 测 温 仪 测 量 的 回 路 电 势 是 热 电偶 两 结 点 温 度 为 ， 所 产 生 的 温 差 电 势 与 电 桥 不 平 衡 输 出 电 压 之 和 。 根 据 中 间 金属 定 律 ， 只 要 满 足 于

37、 是 再 进 行 定 值 误 差 的 修 正 即 可 。 20t 0BDU 0t TR0BDU T 0T 0( , )ABE T TBDU 0( ,20)BD ABU E T0( , ) ( ,20)AB BD ABE T T U E T 4.3.3光电式传感器 光 电 式 传 感 器 是 将 光 能 转 换 为 电 能 的 一 种 传感 器 。 通 常 只 把 具 有 光 电 效 应 的 器 件 （ 如 光 敏电 阻 、 光 电 池 、 光 敏 晶 体 管 等 ） 归 于 此 类 。 但广 义 地 说 ， 凡 是 能 将 光 信 号 转 变 为 电 信 号 的 装置 （ 如 红 外 传 感

38、器 ， 光 栅 传 感 器 等 ） 均 可 称 为光 电 式 传 感 器 。 4.3.3.1光 电 效 应 传 感 器 工 作 原 理 半 导 体 光 电 效 应 传 感 器 的 工 作 原 理 是 基 于 两 个效 应 ： 光 电 导 效 应 和 光 生 伏 特 效 应 。 光 电 导 效 应 ： 当 光 投 射 在 半 导 体 上 时 ， 光 子 的能 量 在 半 导 体 中 激 发 出 非 平 衡 载 流 子 而 使 载 流子 浓 度 加 大 ， 引 起 半 导 体 电 导 率 增 加 ， 这 种 现象 称 为 光 电 导 效 应 。 光 敏 电 阻 就 是 利 用 这 一 效 应 制

39、成 的 光 电 器 件 。光 敏 电 阻 没 有 极 性 ， 纯 粹 是 电 阻 器 件 ， 使 用 时可 加 直 流 电 压 ， 也 可 加 交 流 电 压 。 当 无 光 照 时 ， 半 导 体 中 载 流 子 浓 度 小 ， 光 敏 电阻 值 (暗 电 阻 )很 大 ， 电 路 中 电 流 很 小 。 当 光 敏电 阻 受 到 光 照 时 ， 半 导 体 中 的 载 流 子 急 剧 增 加 ，阻 值 (亮 电 阻 )急 剧 减 小 ， 因 此 电 路 的 电 流 迅 速增 加 。 光 生 伏 特 效 应 ： 在 光 线 作 用 下 使 物 体 产 生 定方 向 电 动 势 的 现 象 叫

40、 光 生 伏 特 效 应 。 光 电 池 、 光 敏 二 极 管 、 光 敏 三 极 管 都 有 至 少 一个 PN结 。 光 电 池 原 理 图光 生 伏 特 效 应光 敏 二 极 管 原 理 光 敏 三 极 管 原 理 4.3.3.2半 导 体 光 电 效 应 传 感 器 的 选 用 (1)光 敏 电 阻 具 有 很 高 的 灵 敏 度 ， 光 谱 响 应 的范 围 可 以 从 紫 外 区 域 延 伸 到 红 外 区 域 ， 而 且 体积 小 、 性 能 稳 定 、 价 格 较 低 ， 所 以 被 广 泛 地 应用 在 自 动 化 技 术 领 域 。 但 由 于 光 敏 电 阻 的 光 照

41、特 性 曲 线 非 线 性 ， 因 此 ， 它 不 宜 作 为 线 性 测 量用 ， 只 能 作 开 关 式 光 电 信 号 传 感 器 用 。 (2)选 用 光 电 元 件 时 应 根 据 不 同 的 光 源 ， 结 合元 件 的 特 性 参 数 来 选 用 。 例 如 ， 光 源 发 出 的 是可 见 光 ， 光 电 元 件 一 般 选 用 硅 光 敏 二 极 管 或 三极 管 ， 也 可 选 用 频 响 高 、 灵 敏 度 大 的 硅 光 电 池 。光 敏 电 阻 对 不 同 波 长 的 光 灵 敏 度 不 同 ， 因 此 ，选 用 光 敏 电 阻 时 也 应 结 合 光 源 来 考 虑

42、 。 4.3.3.3使用时的注意事项 (1)不 论 是 光 敏 电 阻 ， 还 是 光 敏 二 极 管 、 三 极管 ， 都 要 注 意 其 规 格 和 使 用 环 境 条 件 。 例 如 ，最 高 工 作 电 压 、 耗 散 功 率 ， 光 电 流 、 环 境 温 度 、极 间 耐 压 等 都 是 较 重 要 的 数 据 ， 在 使 用 时 不 能超 过 规 定 值 。 (2)光 敏 管 的 灵 敏 度 与 入 射 光 的 方 向 有 关 ， 因此 光 源 与 光 敏 管 的 相 对 位 置 应 合 适 ， 且 保 持 不变 。 (3)光 敏 管 要 先 进 行 老 化 处 理 ， 才 能

43、使 性 能 稳定 ， 特 别 是 光 敏 电 阻 ， 在 最 初 受 到 光 照 和 外 接负 载 后 ， 灵 敏 度 会 明 显 降 低 。 在 人 为 地 加 温 、光 照 和 加 负 载 情 况 下 经 一 至 二 星 期 的 老 化 ， 光电 性 能 渐 趋 稳 定 ， 以 后 就 基 本 不 变 了 。 4.3.3.4光电编码器 光 电 式 编 码 器 是 目 前 使 用 较 多 的 编 码 式 数 字 传感 器 。 1光 电 式 编 码 器 的 结 构 与 工 作 原 理 光 电 式 编 码 器 由 码 盘 与 光 电 读 出 装 置 两 部 分 组成 。 码 盘 采 用 照 相

44、腐 蚀 工 艺 ， 在 一 块 圆 形 光 学玻 璃 上 刻 有 透 光 与 不 透 光 的 码 形 。 可 以 输 出 四位 二 进 制 数 码 的 码 盘 和 光 电 读 出 装 置 如 图 所 示 。 由 最 外 向 内 部 依 次 为 位 ， ， ， 位 ， 码 盘一 侧 放 置 光 源 ， 另 一 侧 一 个 码 道 对 应 放 置 一 个光 电 器 件 ， 图 中 为 光 电 三 极 管 。 四 个 光 电 三 极管 的 读 出 装 置 正 处 在 码 盘 第 8号 角 度 位 置 ， 只有 最 里 面 码 道 的 光 电 三 极 管 对 着 不 透 光 区 (阴 影区 )， 故

45、不 受 光 照 ， 管 子 截 止 ， 输 出 电 平 为 02 12 22 32 4 1B 其 他 三 个 码 道 光 电 三 极 管 均 对 着 透 光 区 (非 阴 影区 )， 故 受 光 照 而 导 通 ， 输 出 电 平 均 为 0。 因此 ， 码 盘 的 第 8号 角 度 位 置 对 应 的 输 出 数 码 ， ， ， 为 1000。 码 盘 转 动 某 一 角 度 ，光 电 读 出 装 置 就 输 出 一 个 数 码 。 码 盘 转 动 一 周光 电 读 出 装 置 就 输 出 16种 不 同 的 四 位 二 进 制 数码 。 4B 3B 2B 1B 2提高分辨率的措施 二 进

46、制 码 盘 所 能 分 辨 的 旋 转 角 度 ， 即 码 盘 的 分辨 率 为 式 中 数 码 的 位 数 ， 若 为 四 位 码 ， 则 。 因 此 ， 四 位 码 ， ， 五 位 码 ， ， 由 此 可 见 ， 位 数 越 多 ， 码 道 数 越 多 ， 能 分 辨的 角 度 越 小 。 为 了 提 高 角 位 移 的 分 辨 率 ， 常 规方 法 就 是 增 加 码 盘 的 码 道 数 。 当 然 这 要 受 到 制作 工 艺 的 限 制 。 一 般 可 通 过 采 用 多 级 码 盘 ， 如两 级 码 盘 达 到 提 高 分 辨 率 的 目 的 。 3602 n n 4n4n 4 4

47、 360 /2 22.5 5n 55 360/2 11.25 设 低 位 码 盘 有 五 条 码 道 ， 其 输 出 为 5位 数 码 ， 高 位 码 盘 有 六 条 码 道 ， 输 出 6位数 码 ， 两 个 码 盘 的 关 系 同 钟 表的 分 针 与 秒 针 的 关 系 相 似 。 同 一 个 表 盘 ， 秒 针移 动 60格 (1圈 )分 针 才 移 一 格 ， 分 针 移 动 一 格代 表 一 分 ， 秒 针 移 动 一 格 代 表 一 秒 ， 分 辨 率 提高 60倍 。 同 理 ， 若 低 位 码 盘 转 了 一 圈 后 (输 出 32个 数 码 )高 位 码 盘 才 移 动 一

48、 个 码 位 ， 或者 说 低 位 码 盘 转 32圈 ， 高 位 码 盘 才 旋转 圈 。 那 么 分 辨 率 将 提 高 32倍 ， 即 可 分 辨 的角 位 移 是 高 位 码 盘 分 辨 率 的 32分之 1， 即 ， 这 就 是 说 由 五 条 码 道 的 低 位码 盘 与 六 条 码 道 的 高 位 码 盘 相 配 合 ， 可 输 出 11位 数 码 ， 角 分 辨 率 可 达 。 5 4 3 2 1, , , ,B B B B B11 10 9 8 7 6, , , , ,B B B B B B 52 52 66 360/2 5.625 11 11 360 /2 0.176 0.

49、176 4.4主要非电参数的测量 4.4.1概述 非 电 参 数 是 相 对 于 电 参 数 而 言 的 一 类 被 测 参 数 。它 在 种 类 和 数 量 上 远 比 电 参 数 多 而 复 杂 。 许 多领 域 需 测 试 的 非 电 参 数 ： 如 机 械 参 数 （ 转 速 、转 矩 、 压 力 等 ） 、 热 学 参 数 （ 温 度 等 ） 、 声 学参 数 （ 噪 声 等 ） 、 光 学 参 数 等 等 ， 可 以 用 非 电测 法 （ 机 械 法 或 光 学 法 ） 测 试 ， 也 可 用 电 测 法测 试 ， 但 后 者 要 比 前 者 优 越 得 多 ， 所 以 非 电 参

50、数 的 电 气 测 试 应 用 极 广 。 非 电 参 数 的 电 气 测 试 法 具 有 以 下 突 出 优 点 ： 1.将 被 测 非 电 参 数 转 换 成 电 磁 参 数 进 行 电 气 测试 ， 可 以 充 分 发 挥 电 气 测 试 的 各 项 优 点 ； 2.输 出 的 电 信 号 可 作 长 距 离 传 输 ， 利 用 远 距 离操 作 与 自 动 控 制 ； 3.既 可 作 静 态 测 试 ， 也 便 于 动 态 测 试 ；4.在 检 测 微 弱 信 号 及 瞬 态 过 程 测 试 方 面 是 其 它 非电 测 试 方 法 所 无 法 比 拟 的 ； 5.由 于 可 输 出

51、电 信 号 易 于 和 许 多 后 续 数 据 处 理仪 器 或 计 算 机 联 用 ， 组 成 自 动 测 试 系 统 ， 对 测试 过 程 进 行 控 制 ， 对 测 试 结 果 进 行 分 析 、 运 算及 处 理 。 一 个 完 整 的 非 电 参 数 电 测 系 统 ， 如 图 所 示 。 按信 息 流 程 来 划 分 ， 由 信 息 的 获 得 （ 传 感 器 ） 、信 息 的 调 理 ， 以 及 信 息 的 显 示 与 处 理 三 部 分 组成 。 它 首 先 要 获 得 被 测 参 数 的 信 息 ， 把 它 变 换成 电 参 数 ， 然 后 通 过 信 息 的 调 理 ， 把

52、 获 得 的 信息 进 行 变 换 、 放 大 ， 再 用 显 示 仪 将 信 息 显 示 出来 ， 有 的 把 信 息 加 以 处 理 ， 也 有 的 把 这 三 部 分分 别 称 为 一 次 仪 表 、 二 次 仪 表 及 三 次 仪 表 。 非 电 参 数 电 测 仪 器 的 分 类 方 法 有 两 种 ： 按 被 测参 数 分 类 (对 使 用 对 象 比 较 明 确 )； 按 测 量 方 法分 类 (对 仪 器 的 工 作 原 理 比 较 清 楚 )。 但 是 在 命名 时 ， 为 了 更 加 明 确 ， 习 惯 上 常 把 两 者 结 合 起来 命 名 ， 例 如 光 电 式 转

53、速 计 、 电 阻 应 变 转 换 仪等 等 。 非 电 参 数 电 测 技 术 总 的 趋 向 是 朝 小 型 轻 量 化 、测 试 放 大 一 体 化 、 无 接 触 化 方 向 发 展 。 传 感 器 信 号 调 理 数 据 处 理 记 录 、 显 示 伺 服 驱 动 被 测 参 数 U,I R,L,C U, I 4.4.2转 速 的 测 量 转 速 是 用 单 位 时 间 内 的 转 数 表 示 ， 通 常 采 用 一分 钟 内 的 转 数 作 为 单 位 ， 符 号 为 r/min， 角 速 度用 一 秒 钟 内 转 过 的 弧 度 作 单 位 ， 符 号 为 rad/s。 测 试

54、转 速 的 方 法 很 多 ， 根 据 其 工 作 原 理 可 分 为计 数 式 、 模 拟 式 和 同 步 式 三 大 类 。 计 数 式 方 法是 用 某 种 方 法 读 出 一 定 时 间 内 的 总 转 数 ； 模 拟式 方 法 是 测 出 由 瞬 时 转 速 引 起 的 某 种 物 理 量 (如离 心 力 、 电 机 的 输 出 电 压 )的 变 化 ； 同 步 式 方 法是 利 用 已 知 频 率 的 闪 光 与 旋 转 体 的 旋 转 同 步 来测 试 转 速 。 4.4.2.1电 子 计 数 式 测 速 数 字 式 测 速 是 发 展 十 分 迅 速 的 一 种 测 速 方 法

55、 ，测 试 结 果 直 接 以 数 字 显 示 ， 它 有 如 下 特 点 ： （ 1） 读 数 准 确 ， 消 除 了 一 般 指 针 式 仪 表 的 刻度 误 差 和 视 觉 差 ； （ 2） 测 试 范 围 宽 、 精 度 高 、 速 度 快 、 显 示 字迹 清 晰 ； (3)可 进 行 瞬 时 转 速 的 测 试 。 一 般 瞬 时 角 速 度 ， 当 （ 或 ） 取 得 极 小 时 ， 常 称 为 瞬 时 角 速 度 。 dtdt t lim0 tt 由 于 转 速 与 频 率 具 有 共 同 的 量 纲 T-1， 因 此 可以 利 用 测 频 率 或 测 周 期 的 方 法 得

56、到 转 速 。 采 用电 子 计 数 式 频 率 计 ， 配 以 转 速 传 感 器 即 可 构 成电 子 计 数 式 转 速 表 。 为 提 高 测 试 的 准 确 度 ， 一般 对 高 、 中 转 速 采 用 测 频 法 ， 对 于 低 转 速 采 用测 周 法 。 测 频 法 是 测 量 转 速 传 感 器 所 发 出 电 信 号 频 率 的方 法 ， 即 测 量 标 准 单 位 时 间 内 电 脉 冲 数 。 测 周法 是 定 角 测 时 ， 即 用 时 标 填 充 的 方 法 测 相 当 于某 一 旋 转 角 度 的 时 间 间 隔 ， 测 周 法 可 以 在 较 短时 间 内 获

57、得 较 高 的 准 确 度 和 分 辨 率 。 这 两 类 方法 交 替 使 用 ， 相 互 补 充 ， 可 以 展 宽 测 试 范 围 ，提 高 测 试 准 确 度 。 (1)测 频 法 (或 称 M法 )测 速1 数 字 式 电 子 转 速 表数 字 式 频 率 计 的 数 字 显 示 值 与 转 速 间 的 关 系 为式 中 N1 计 数 值 ； n 每 分 钟 转 数 (r min)； z 旋 转 体 每 转 一 周 传 感 器 发 出 的 脉 冲 数 ； t1 主 闸 门 开 启 测 定 的 时 间 (s)。 为 便 于 直 接 读 出 转 速 值 ， 需 使 N1=n， 则 应 满

58、 足zt 1=60的 条 件 。 当 传 感 器 每 转 发 出 的 脉 冲 数 为60及 主 闸 门 开 启 测 定 的 标 准 时 间 为 1s， 则 计 数器 计 的 脉 冲 数 就 是 旋 转 体 每 分 种 的 转 数 。 可 见 ，z的 数 值 最 好 是 60或 60的 整 倍 数 。 1 160ztNn 为 了 减 小 数 字 式 仪 器 1个 字 的 量 化 误 差 (即 由于 最 小 计 数 单 位 限 制 引 起 的 误 差 )对 测 量 准 确 度的 影 响 ， 应 使 测 量 值 远 大 于 最 小 计 数 单 位 。 对于 数 字 式 电 子 转 速 表 来 说 ，

59、 即 要 求 计 数 值 N1较大 。 当 测 定 时 间 t1选 定 后 （ 一 般 不 应 过 长 ， 以保 证 测 量 条 件 不 变 与 迅 速 、 及 时 地 完 成 测 量 任务 )， 只 有 所 测 转 速 n较 高 或 旋 转 体 每 转 一 周 传感 器 发 出 的 脉 冲 数 z较 多 ， 才 能 使 N1较 大 (而 对于 同 样 的 z， 当 n大 时 ， 测 量 值 N1会 更 大 )。 这说 明 M法 适 于 测 量 较 高 的 转 速 。 传 感 器 每 转 输 出 的 脉 冲 数 越 多 ， 测 定 的 时 间 越短 ， 则 所 测 的 转 速 越 接 近 瞬

60、时 速 度 。 将 每 次 测定 时 间 t1所 测 得 的 脉 冲 数 存 入 小 型 计 算 机 ， 根据 两 个 相 邻 测 定 时 间 (t 1)1和 (t1)2 (例 如 各 为 2ms)的 脉 冲 数 N1及 ， 即 可 算 出 其 角 速 度 。 N1 式 中 z 旋 转 体 每 转 一 周 转 速 传 感 器 发 出 的脉 冲 数 ； 单 位 分 别 为 rad s及 rad 。, 1 112 )(2 zt NN 21 11 )(2 zt NN 2s （ 2） 测 周 法 （ 或 称 T法 ） 数 字 测 速 设 为 旋 转 体 旋 转 一 周 所 需 要 的 时 间 ； 时

61、标 周期 为 ， 计 数 器 读 数 为 ， 则 被 测 周 期 为 通 常 取 为 10的 负 整 数 幂 次 值 ， 因 此 适 当 选 择显 示 数 值 中 小 数 点 位 置 并 和 所 选 时 标 信 号 频 率联 动 ， 即 可 直 接 用 计 数 器 示 值 表 示 被 测 周 期 。 当 被 测 转 速 增 高 时 ， 被 测 周 期 变 短 ， 仪 表 显 示读 数 变 小 ， 误 差 就 增 大 ， 因 而 T法 适 于 低 速时 采 用 。 022 Nt2t 0 2N 0 2N 为 了 提 高 测 试 准 确 度 ， 可 采 用 频 率 较 高 的 时 标脉 冲 （ 即

62、缩 短 ） ， 或 将 被 测 周 期 信 号 进 行 m分 频 ， 使 周 期 被 拉 长 m倍 ， 即 用 倍 乘 后 的 信 号控 制 主 闸 门 的 开 启 时 间 也 同 样 得 到 倍 乘 ， 计 数器 读 数 也 由 倍 乘 到 （ = m ） ， 从 而 提高 测 量 准 确 度 。 这 时 被 测 周 期 为 通 常 周 期 倍 乘 数 设 计 为 10的 整 数 幂 次 数 ， 因 此只 要 使 显 示 小 数 点 的 位 置 和 周 期 倍 乘 开 关 联 动 ，仍 可 用 计 数 器 的 示 值 直 接 表 示 被 测 周 期 值 。 0 2N 2N 2N mNt 02

63、2 2N 如 设 传 感 器 每 转 发 出 的 脉 冲 数 为 z， 则 相 应 的转 速 n为 （ 3） M/T法 测 速 此 法 的 测 试 时 间 t由 两 部 分 组 成 ： 式 中 固 定 不 变 时 间 ； 结 束 后 到 传 感 器 发 出 第 一 个 脉冲 之 间 的 时 间 间 隔 。 0260zNn 0260zNn 21 ttt 1t2t 1t 设 相 应 测 得 传 感 器 脉 冲 数 和 时 标 脉 冲 数 ，则 可 得 物 体 的 转 速 为 在 高 速 时 ， t1t2， 测 试 时 间 t ， 这 时 的 测 速方 法 和 M法 相 同 ； 在 低 速 时 ， 传 感 器 发 出 每 一个 脉 冲 间 隔 大 于 ， 因 此 1， 测 试 方 法 就与 T法 相 同 。 可 见 ， M/T法 是 一 种 取 长 补 短 ， 在 很 宽 范 围 内都 有 很 好 性 能 的 测 速 方 法 。 210 160 NztNn 1t 1t 1N 1N 2N